DE3701385C1 - Piston internal combustion engine with liquid cooling - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a piston internal combustion engine with liquid cooling according to the preamble of Claim 1.
Mit der DE 30 26 208 C2 und der DE 28 10 980 A1 sind flüssigkeitsgekühlte Kolben-Brennkraftmaschinen für den Antrieb von Schiffen bekannt geworden. Der Kühlkreislauf ist dabei jeweils als offenes System ohne Rückkühler ausgebildet. Das die Kolben-Brennkraftmaschine durchströmende Kühlwasser wird dem das Schiff umgebenden Gewässer entnommen und nach Erwärmung wieder dahin zurückgeleitet. In den Kühlkreislauf dieser Kolben-Brennkraftmaschine ist die Abgasleitung derart einbezogen, daß das Kühlwasser die Abgasleitung unmittelbar umspült. Dabei erfolgt ein sehr großer Wärmezufluß in das Kühlwasser, der bei geschlossenen Kühlkreisläufen mit Rücksicht auf die begrenzte Kapazität des dort vorhandenen Rückkühlers nicht tragbar ist. Außerdem führt die jahreszeitlich schwankende Temperatur des dem Gewässer entnommenen Wassers leicht zu betriebsgefährdender Unterkühlung von Bereichen der Kolben-Brennkraftmaschine.With DE 30 26 208 C2 and DE 28 10 980 A1 liquid-cooled piston internal combustion engines for driving from ships. The cooling circuit is included each designed as an open system without a recooler. That the Piston engine cooling water flowing through it Removed from the ship's surrounding waters and after heating again passed back there. In the cooling circuit this Piston engine, the exhaust pipe is such included that the cooling water the exhaust pipe immediately washed around. There is a very large flow of heat into the Cooling water that is considered in closed cooling circuits to the limited capacity of the existing recooler is not portable. In addition, the seasonal fluctuates Temperature of the water taken from the water increases slightly Hypothermia of areas of the Piston engine.
Aus dem DE-GM 17 12 946 ist eine flüssigkeitsgekühlte Kolben-Brennkraftmaschine bekannt, die eine intensive Kühlung des Zylinderkopfes und eine regelbare Kühlung der Zylinderbuchse aufweist. Die Abgasleitung ist indes nicht in die Kühlung einbezogen. Beim Anfahren der kalten Kolben-Brennkraftmaschine wird durch verminderten Kühlmitteldurchfluß an der Zylinderbuchse eine rasche Erwärmung in diesem Bereich erreicht. Für die Erwärmung des umlaufenden Kühlmittels fehlt indessen die Wärmemenge, die sonst im Bereich der Zylinderbuchse an das Kühlmittel abgegeben wird. Die Zeit zum Aufheizen des Kühlmittels auf Betriebstemperatur ist daher gegenüber einer ungeregelten Zylinderbuchsenkühlung unerwünscht verlängert.From DE-GM 17 12 946 is a liquid-cooled Piston engine known for intensive cooling of the cylinder head and adjustable cooling of the cylinder liner having. However, the exhaust pipe is not in the cooling involved. When starting the cold piston internal combustion engine is due to reduced coolant flow at the Cylinder liner achieved rapid heating in this area. For the heating of the circulating coolant, however, there is no Amount of heat otherwise in the area of the cylinder liner to the Coolant is dispensed. The time to heat up the Coolant at operating temperature is therefore one uncontrolled cylinder liner cooling undesirably extended.
Es ist Aufgabe der Erfindung, für eine flüssigkeitsgekühlte Kolben-Brennkraftmaschine mit geschlossenem Kühlkreislauf eine differenzierte Kühlung für Zylinderkopf, Zylinderbuchse und Abgasleitung zu schaffen, die den unterschiedlichen Temperaturbedürfnissen der einzelnen Bereiche bei verschiedenen Betriebszuständen Rechnung trägt, eine gleichmäßige Temperaturverteilung ergibt und dennoch eine rasche Erwärmung des umlaufenden Kühlmittels nach einem Kaltstart bewirkt.It is an object of the invention for a liquid-cooled Piston internal combustion engine with a closed cooling circuit differentiated cooling for cylinder head, cylinder liner and Exhaust pipe to create the different Temperature needs of the individual areas at different Operating conditions takes into account an even Temperature distribution results in rapid warming of the circulating coolant after a cold start.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 6. This object is achieved with the characteristic Features of claim 1 solved. The advantageous further Embodiment of the invention results from the characterizing Features of claims 2 to 6.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch mehrere unterschiedlich mit Kühlmittel beaufschlagbare Kühlzonen eine differenzierte Kühlung der Kolben-Brennkraftmaschine mit großer Temperaturkonstanz im gesamten Betriebsbereich erreicht ist, daß durch Einbindung des gekühlten Gehäuses der Abgasleitung in den Hauptkühlmittelkreislauf, trotz des Fehlens der Verlustwärme aus dem oberen Abschnitt der Zylinderbuchse beim Anfahren der kalten Kolben-Brennkraftmaschine, eine rasche Erwärmung des Kühlmittels auf Betriebstemperatur eintritt, daß durch den Einsatz von Öl - statt Wasserkühlung - für die unteren Abschnitte der Zylinderbuchsen das in der Kolben-Brennkraftmaschine enthaltene Flüssigkeitsgewicht reduziert ist, daß der Schmierölvorrat in der Kolben-Brennkraftmaschine um das Volumen des Kühlmittelraumes der unteren Zylinderbuchsenbereiche vergrößert ist, daß für die Ölkühlung der unteren Abschnitte der Zylinderbuchsen mit dem Überschußteilstrom des Schmierölkreislaufes keine zusätzliche Antriebsleistung erforderlich ist und daß die Temperaturführung im ölgekühlten Kühlmittelraum für die unteren Abschnitte der Zylinderbuchsen eine über der Temperatur des Kühlwassers liegende sogenannte Heißkühlung erlaubt, die zu einer verbesserten thermischen Rundheit der Zylinderbuchsen führt.The advantages achieved by the invention are, in particular, that a differentiated cooling of the piston internal combustion engine with high temperature constancy in the entire operating range is achieved by several cooling zones that can be acted on with coolant, that by integrating the cooled housing of the exhaust pipe into the main coolant circuit, despite the lack of heat loss from the upper portion of the cylinder liner when starting the cold piston internal combustion engine, a rapid heating of the coolant to operating temperature occurs, that the use of oil - the weight of liquid contained in the reciprocating internal combustion engine is reduced for the lower portions of the cylinder liners - instead of water cooling that the lubricating oil supply in the piston internal combustion engine is increased by the volume of the coolant space of the lower cylinder liner areas, that for the oil cooling of the lower sections of the cylinder liner with the excess partial flow of the lubricant Oil circuit no additional drive power is required and that the temperature control in the oil-cooled coolant chamber for the lower sections of the cylinder liners allows a so-called hot cooling above the temperature of the cooling water, which leads to an improved thermal roundness of the cylinder liners.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch an Hand eines Kühlmittelkreislaufes dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown schematically using a coolant circuit and will be described in more detail below.
Bei einer schematisch angedeuteten Kolben-Brennkraftmaschine sind Zylinderkopf 12, oberer Abschnitt 14 sowie unterer Abschnitt 15 der Zylinderbuchse und ein aus Oberteil 16 und Unterteil 17 bestehendes Gehäuse, in dem die Abgasleitung 18 gekapselt ist, mit Kühlmittelräumen ausgestattet. Eine aus den Leitungsabschnitten 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 bestehende Kühlwasserleitung verbindet verschiedene Kühlmittelräume mit einer Kühlwasserpumpe 11 und mit einem Kühlmittel-Rückkühler 13 zu einem Hauptkühlkreislauf. In a schematically indicated piston internal combustion engine, cylinder head 12 , upper section 14 and lower section 15 of the cylinder liner and a housing consisting of upper part 16 and lower part 17 , in which exhaust pipe 18 is encapsulated, are equipped with coolant spaces. A cooling water line consisting of the line sections 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 connects different coolant spaces with a cooling water pump 11 and with a coolant recooler 13 to form a main cooling circuit.
Ein thermostatisch über Temperaturfühler 44 von der Kühlwassertemperatur im Leitungsabschnitt 19 gesteuertes Umschaltventil 26, das die Leitungsabschnitte 22 und 23 beherrscht, reguliert die Temperatur des Kühlwassers im Hauptkühlkreislauf. Bei niedriger Kühlwassertemperatur wird durch Aufsteuern des Leitungsabschnittes 23 der Kühlmittel-Rückkühler 13 umgangen. Wärmezufuhr an das Kühlwasser erfolgt im Zylinderkopf 12 und im Oberteil 16 des Gehäuses der Abgasleitung.A change-over valve 26 , controlled by the temperature of the cooling water in the line section 19 via temperature sensors 44 and which controls the line sections 22 and 23 , regulates the temperature of the cooling water in the main cooling circuit. If the cooling water temperature is low, the coolant recooler 13 is bypassed by opening the line section 23 . Heat is supplied to the cooling water in the cylinder head 12 and in the upper part 16 of the housing of the exhaust pipe.
Der Kühlmittelraum, der den oberen Abschnitt 14 der Zylinderbuchse umgibt, steht mit dem Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 12 und über eine Leitung 27 mit dem in den Kühlmittel-Rückkühler mündenden Leitungsabschnitt 24 in Verbindung. Die Leitung 27 wird von einem Absperrventil 28 beherrscht, das durch einen im Kühlmittelraum des oberen Abschnittes 14 einer Zylinderbuchse angeordneten Temperaturfühlers 43 gesteuert wird. Der Kühlmitteldurchfluß des Absperrventils 28 ist gedrosselt oder gesperrt, wenn das Kühlwasser im Kühlmittelraum des oberen Abschnittes 14 der Zylinderbuchse eine Mindesttemperatur unterschreitet. Dadurch wird verhindert, daß im Teillastbetrieb der Kolben-Brennkraftmaschine die Temperatur der Zylinderbuchse unter die Taupunkttemperatur des Wasserdampfes im Brennraum sinkt und Schäden durch Naßkorrosion an der Zylinderbuchse entstehen.The coolant chamber, which surrounds the upper section 14 of the cylinder liner, is connected to the coolant chamber of the cylinder head 12 and via a line 27 to the line section 24 opening into the coolant recooler. The line 27 is controlled by a shut-off valve 28 , which is controlled by a temperature sensor 43 arranged in the coolant chamber of the upper section 14 of a cylinder liner. The coolant flow of the shut-off valve 28 is throttled or blocked when the cooling water in the coolant chamber of the upper section 14 of the cylinder liner falls below a minimum temperature. This prevents the temperature of the cylinder liner from dropping below the dew point temperature of the water vapor in the combustion chamber during partial load operation of the piston internal combustion engine and damage caused by wet corrosion to the cylinder liner.
Beim Anfahren der kalten Kolben-Brennkraftmaschine wird das erwünscht schnelle Erwärmen des Kühlwassers dadurch erreicht, daß die Kühlmittelräume des Gehäuses der Abgasleitung 18 in den Hauptkühlkreislauf einbezogen sind. Die in diesem Betriebszustand dem Kühlwasser nicht zugeführte Abwärme aus dem Bereich der Zylinderbuchse wird durch die vom Kühlwasser aufgenommene Wärmeabstrahlung der Abgasleitung 18 ausgeglichen. When starting the cold piston internal combustion engine, the desired rapid heating of the cooling water is achieved in that the coolant spaces of the housing of the exhaust pipe 18 are included in the main cooling circuit. The waste heat from the area of the cylinder liner not supplied to the cooling water in this operating state is compensated for by the heat radiation of the exhaust gas line 18 absorbed by the cooling water.
Das Unterteil 17 des Gehäuses für die Abgasleitung 18 kann von einer mit Kühlwasser beaufschlagbaren Seitenwand des Zylinder-Kurbelgehäuses gebildet werden. Im Betrieb gelangt dadurch in diesen Bereich zusätzlich Wärme aus dem unteren Abschnitt 15 der Zylinderbuchsen in das das Gehäuse der Abgasleitung 18 durchströmende Kühlwasser. Die Erwärmung des Kühlwassers beim Anfahren der kalten Kolben-Brennkraftmaschine, ohne Zufuhr von Abwärme aus dem oberen Abschnitt 14 der Zylinderbuchsen, wird damit verbessert.The lower part 17 of the housing for the exhaust gas line 18 can be formed by a side wall of the cylinder crankcase which can be acted upon with cooling water. During operation, additional heat from this area reaches the lower section 15 of the cylinder liners into the cooling water flowing through the housing of the exhaust pipe 18 . The heating of the cooling water when starting the cold piston internal combustion engine without supplying waste heat from the upper section 14 of the cylinder liners is thus improved.
Dieser Effekt wird noch weiter verbessert, wenn das Unterteil 17 des Gehäuses der Abgasleitung 18 von den im V-Raum sich gegenüberstehenden, mit Kühlwasser beaufschlagbaren Seitenwänden des Zylinder-Kurbelgehäuses einer Kolben-Brennkraftmaschine mit V-Anordnung zweier Zylinderreihen gebildet wird.This effect is further improved if the lower part 17 of the housing of the exhaust pipe 18 is formed by the side walls of the cylinder crankcase of a piston-type internal combustion engine with a V-arrangement of two rows of cylinders which face each other in the V space and can be acted upon by cooling water.
Die unteren Abschnitte 15 aller Zylinderbuchsen einer Zylinderreihe sind von einem gemeinsamen großvolumigen Kühlmittelraum umgeben, der mit Öl als Kühlmittel beaufschlagbar ausgebildet ist. Das Öl wird dem Kühlmittelraum durch eine Leitung 29 im unteren Bereich des Kühlmittelraumes zugeführt und fließt im oberen Bereich durch Leitung 30 zurück in den Ölsumpf 36 der Kolben-Brennkraftmaschine. Das Öl im Kühlmittelraum der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen stammt aus dem Schmierölkreislauf der Kolben-Brennkraftmaschine und ist Teil ihres Schmierölvorrates.The lower sections 15 of all cylinder liners of a row of cylinders are surrounded by a common, large-volume coolant chamber which is designed to be acted upon with oil as the coolant. The oil is fed to the coolant chamber through a line 29 in the lower region of the coolant chamber and flows back through line 30 into the oil sump 36 of the piston internal combustion engine. The oil in the coolant chamber of the lower sections 15 of the cylinder liners comes from the lubricating oil circuit of the piston internal combustion engine and is part of its lubricating oil supply.
Der Schmierölkreislauf ist dargestellt mit einer aus dem Ölsumpf 36 ansaugenden Schmierölpumpe 35, mit einem Ölkühler 34, einem Ölfilter 33, den Schmierstellen 37 und einem Druckbegrenzungsventil 32, das von einem Druckfühler 42 in Leitung 41 beeinflußt wird. Der am Druckbegrenzungsventil 32 abgesteuerte Überschußteilstrom des Schmierölkreislaufes wird über eine Leitung 38 einem thermostatisch von der Temperatur im Kühlmittelraum der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen gesteuerten Umschaltventil 31 zugeführt. Je nach Betriebszustand der Kolben-Brennkraftmaschine fließt das abgesteuerte Öl über Leitung 39 in den Ölsumpf zurück, oder es gelangt über Leitung 39 zum Kühlmittelraum der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchse.The lubricating oil circuit is shown with a lubricating oil pump 35 sucking in from the oil sump 36 , with an oil cooler 34 , an oil filter 33 , the lubricating points 37 and a pressure relief valve 32 , which is influenced by a pressure sensor 42 in line 41 . The excess partial flow of the lubricating oil circuit controlled at the pressure limiting valve 32 is fed via a line 38 to a changeover valve 31 controlled thermostatically by the temperature in the coolant chamber of the lower sections 15 of the cylinder liners. Depending on the operating condition of the reciprocating internal combustion engine, the oil diverted via line 39 flows back into the oil sump, or it enters via line 39 of the cylinder liner to the coolant space of the lower sections 15 °.
Im gesamten Betriebsbereich der Kolben-Brennkraftmaschine ist eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in einer Zylinderbuchse erwünscht. Beim Anfahren, bei Leerlauf und bei niedriger Last der Kolben-Brennkraftmaschine ist im Hinblick auf die Temperaturverteilung in der Zylinderbuchse eine Kühlung der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchse nicht erforderlich. Durch die Wahl einer entsprechend hohen Ansprechtemperatur des Fühlers 40 wird dafür gesorgt, daß das Umschaltventil 31 die Leitung 29 während der genannten Betriebszustände der Kolben-Brennkraftmaschine sperrt oder weitgehend drosselt. Der abgesteuerte Überschußteilstrom des Schmierölkreislaufes wird dann über Leitung 39 in den Ölsumpf 36 geleitet. Der Kühlmittelraum der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen ist zwar mit Öl gefüllt, es findet jedoch keine oder nur eine geringe Durchströmung des Kühlmittelraumes statt. Dadurch ergibt sich eine rasche Erwärmung des Öles in diesem Kühlmittelraum.A temperature distribution in a cylinder liner that is as uniform as possible is desired in the entire operating range of the piston internal combustion engine. When starting, at idle and with a low load of the piston internal combustion engine, cooling of the lower sections 15 of the cylinder liner is not necessary with regard to the temperature distribution in the cylinder liner. The choice of a correspondingly high response temperature of the sensor 40 ensures that the changeover valve 31 blocks or largely throttles the line 29 during the aforementioned operating states of the piston internal combustion engine. The controlled excess partial flow of the lubricating oil circuit is then passed via line 39 into the oil sump 36 . The coolant chamber of the lower sections 15 of the cylinder liners is filled with oil, but there is no or only a small flow through the coolant chamber. This results in rapid heating of the oil in this coolant space.
Darüber hinaus kann bei Ölkühlung der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen eine höhere Kühlmitteltemperatur gefahren werden, als bei sonst üblicher Wasserkühlung. Insgesamt wird mit den vorgeschlagenen Maßnahmen ein nahezu gleichmäßiges Temperaturniveau in allen Bereichen der Zylinderbuchse erzielt. Daraus resultiert eine hervorragende thermische Rundheit der Zylinderbuchse, was die Standzeiten von Kolben und Kolbenringen erheblich verbessert.In addition, a higher coolant temperature can be achieved with oil cooling of the lower sections 15 of the cylinder liners than with water cooling, which is otherwise customary. Overall, the proposed measures achieve an almost uniform temperature level in all areas of the cylinder liner. This results in an excellent thermal roundness of the cylinder liner, which significantly improves the service life of pistons and piston rings.
Mit steigender Belastung der Kolben-Brennkraftmaschine nimmt die Temperatur des Öles im Kühlmittelraum der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen zu. Sobald das Umschaltventil 31 die Leitung 29 freigibt, erfolgt eine Durchströmung des Kühlmittelraumes der unteren Abschnitte der Zylinderbuchsen. Da mit zunehmender Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine auch die Förderleistung der Schmierölpumpe 35 und die abgesteuerte Ölmenge des Überschußteilstromes ansteigen, nimmt entsprechend auch der Öldurchsatz des Kühlmittelraumes der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen in erwünschter Weise zu. Zusätzliche Antriebsenergie für die Ölkühlung der unteren Abschnitte 15 der Zylinderbuchsen ist nicht erforderlich, da die Förderleistung der Schmierölpumpe 35 im fraglichen Betriebsbereich ohnehin größer ist als der Schmierölbedarf des Schmierölkreislaufes.With increasing load on the piston internal combustion engine, the temperature of the oil in the coolant chamber of the lower sections 15 of the cylinder liners increases. As soon as the changeover valve 31 opens the line 29 , the coolant chamber flows through the lower sections of the cylinder liners. Since the delivery rate of the lubricating oil pump 35 and the controlled oil quantity of the excess partial flow also increase with increasing speed of the piston internal combustion engine, the oil throughput of the coolant chamber of the lower sections 15 of the cylinder liners also increases in a desired manner. Additional drive energy for the oil cooling of the lower sections 15 of the cylinder liners is not necessary, since the delivery capacity of the lubricating oil pump 35 in the operating area in question is in any case greater than the lubricating oil requirement of the lubricating oil circuit.
Claims (6)
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